Wissenschaftler lassen Quantenpunkte im Reagenzglas chemisch altern

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Forscher des MIPT und des RAS-Instituts für Probleme der chemischen Physik haben einen einfachen und bequemen Weg vorgeschlagen, beliebig große Quantenpunkte, die für physikalische Experimente benötigt werden, durch chemische Alterung zu erhalten.

Die Studie wurde in Materials Today Chemistry veröffentlicht.
Kolloidale Quantenpunkte sind nanoskalige Kristalle, deren Größe die Frequenz bestimmt, mit der sie elektromagnetische Strahlung aussenden und absorbieren.

Sie werden in Solarzellen, TV-Geräten, Feuermeldeanlagen und mehr eingesetzt.
Das MIPT-Labor für Photonik von Quanten-Nanostrukturen forscht mit Bleisulfid-Quantenpunkten.

Bei der konventionellen Synthese, der so genannten Heißinjektion, werden zwei so genannte Precursoren – blei- und schwefelhaltige Verbindungen – unter bestimmten Bedingungen gemischt.

Dieser Prozess wird mit speziellen Reagenzien und Geräten gesteuert, um Quantenpunkte der gewünschten Größe zu erzeugen. Die Synthese ist jedoch aufwändig, teuer und liefert nicht Punkte in allen benötigten Größen.

“Wenn ein Physiker ein paar Quantenpunkte brauchte, aber keine Ausrüstung hatte, um sie herzustellen, musste er früher viel Geld ausgeben, um eine Synthese in Auftrag zu geben oder die Produkte aus dem Ausland über einen Katalog zu bestellen.

Und man konnte keine Punkte beliebiger Größe kaufen”, sagt Ivan Shuklov, stellvertretender Leiter des MIPT-Labors für Photonik von Quanten-Nanostrukturen. “Also suchten wir nach einem einfachen und erschwinglichen Weg, um Bleisulfid-Quantenpunkte zu erhalten, der keine spezielle Ausrüstung oder Fähigkeiten erfordert und Punkte beliebiger Größe und damit genau die benötigten Eigenschaften produzieren würde.”
Beim Experimentieren mit verschiedenen Verbindungen stellten die Forscher fest, dass sich das Spektrum der Quantenpunkte in Gegenwart einer Mischung aus Ölsäure und Oleylamin veränderte.

Die Elektronenmikroskopie ermöglichte einen genaueren Blick auf das Geschehen und zeigte, dass die Mischung der beiden Chemikalien die Standardsynthese tatsächlich umkehrte und bewirkte, dass sich Schwefel- und Bleiatome in die Lösung zurückzogen, was die Punktgröße allmählich reduzierte. Noch wichtiger ist, dass die Punktgrößenverteilung gleich blieb.

Mit anderen Worten, man erhält im Grunde die gleichen Punkte, die man vor der Einführung der Mischung hatte, nur dass sie kleiner werden und sich dadurch ihre Eigenschaften verändern.
Der Standardansatz zur Synthese von Quantenpunkten verwendet ebenfalls Ölsäure und Oleylamin, aber die Chemikalien werden in verschiedenen Stufen eingesetzt.

Es ist ihre gleichzeitige Anwendung und gegenseitige Wechselwirkung, die, wie sich herausstellte, eine kontrollierte Kristallalterung ermöglicht.

Das heißt, die vorhersagbare langfristige Veränderung der Kristalleigenschaften im Laufe der Zeit.
“Wir haben eine Lösung vorgeschlagen, die es einem Experimentator, der 10-Nanometer-Quantenpunkte hat, erlaubt, diese morgen vorhersagbar auf 8 Nanometer zu verkleinern, übermorgen auf 6 Nanometer, und so weiter.

Dementsprechend wird sich die Absorptionsfrequenz von 2 Mikrometern auf 1,8 Mikrometer beim ersten Mal und dann auf 1,5 Mikrometer ändern”, erklärt Vladimir Razumov, der Leiter des Labors für Photonik von Quanten-Nanostrukturen am MIPT. “Im Grunde kann man aus einer Charge von generischen kolloidalen Quantenpunkten solche mit genau der richtigen Größe und den richtigen Eigenschaften herstellen.

Mit unserer Technik kann ein Physiker mit keiner speziellen Ausrüstung außer einigen Reagenzgläsern eine Probe von Quantenpunkten in jede beliebige Größe umwandeln.

Man muss nur warten, bis die Punkte auf die passende Größe ‘gealtert’ sind.”
Referenz: “Controlled aging of PbS colloidal quantum dots under mild conditions” von I.

A. Shuklov, V.

F.

Toknova, A.

A. Lizunova und V.

F. Razumov, 5. Oktober 2020, Materials Today Chemistry.DOI: 10.1016/j.mtchem.2020.100357

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